高速公路隧道洞口遮光棚亮度长度计算及经济性分析

雷开云, 刘贞毅, 康泽洲, 张家清, 史玲娜

1.四川雅康高速公路有限责任公司， 四川 雅安 625000；2.自动驾驶技术交通运输行业研发中心，重庆 400067；3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

随着我国高速公路不断向西部延伸，隧道占比不断攀升，公路运营压力越来越突出。巨额的电费开支困扰着运营单位，节能减排的需求强烈。近年来，公路隧道照明领域已有不少科研工作者在此方面开展了大量研究工作并取得了重大进展[1-5]，其研究方向大体可分为以下几种：1) 通过隧道光源替换节能，如将能耗高且光效低的钠灯、无极灯、荧光灯更换为能耗低且光效高的LED灯[6-8]；2) 通过运营节能，如近年来比较热门的LED调光节能[9-12]；3) 通过其他措施节能，如洞口减光节能[13-14]、太阳能光伏发电节能等[15-16]。

遮光棚即是一种较好的洞口减光节能措施，它是一种顶部为封闭式结构的棚状构筑物，利用透明或半透明材料的透光作用以达到减光效果，避免了阳光直接投射到路面上。根据主体结构选材的不同，遮光棚可以分为钢结构遮光棚、钢筋混凝土结构遮光棚、钢和钢筋混凝土组合结构遮光棚。

近年来，遮光棚在国内已有不少应用案例，但对于遮光棚的长度、棚内亮度设计等仅仅简单照搬JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》(简称《细则》)上的规定，缺乏理论依据。本文根据CIE88[17]理论推导出了满足行车安全的隧道入口遮光棚的计算公式，可用于指导遮光棚的设计。根据分析结果，采用遮光棚方案的经济性优于入口段采用大规模电光照明方案，而且运营期间维护工作更简单、工作量更少。

1 视觉适应理论

CIE将隧道照明需求划分为入口段、过渡段、中间段和出口段，其中入口段对亮度要求最高，过渡段次之，中间段最低，出口段则稍微提高以便提早适应隧道外亮度环境。

为保证行车安全，驾驶员视线要看到前方一定距离之外，这样当前方有异常情况时才有足够的反应时间及时停车。当车辆即将驶入隧道时，若隧道内部环境很暗，则需要行至洞口位置才能看清隧道内部情况；若内部环境较为明亮，则能在距离洞口较远处看清隧道内部情况，因此隧道入口段的照明需要满足一定的亮度要求。

当车辆驶入隧道后，驾驶员视线仍需要看到一定距离之外，因此入口段的设计长度仍需满足一定的视觉需求。

1.1 停车视距

受车辆惯性影响，安全行车的前提是与前车或障碍物保持一定的距离。该距离至少应包含驾驶员反应时间内所行驶的距离以及车辆制动时间内行驶的距离，当然该距离越大越好。但在公路工程设计中往往需要找到该距离的最小值，停车视距即为其最小距离，它可由式(1)表示[17]：

(1)

式中：υ为设计速度，km/h；t0为反应时间，s；g为重力加速度，9.81 m/s2；f为车辆与路面的摩擦系数，该值与车辆及轮胎有关，其值可参考CIE曲线；tanβ为路面纵坡，%。

显然，速度越快，需要的停车视距越大；车辆路面摩擦系数越大，需要的停车视距越小；上坡比下坡停车需要的停车视距小。以设计速度υ=80 km/h、纵坡tanβ=0的高速公路为例，湿滑路面下f=0.34，则停车视距SD=96.3 m；干燥路面下f=0.625，则停车视距SD=62.5 m，二者相差约34 m。

1.2 小目标视认距离与入口段亮度折减系数k

由于隧道入口段的亮度Lth通常只有洞外亮度L20(S)的1%～7%,而Lth与L20(S)的比值即为入口段亮度折减系数k[18]，入口段相比后续段的亮度递减要大得多，因此隧道入口段被公认为事故的“高发路段”。国际照明协会推荐以边长为0.2 m、表面反射系数为0.2的立方体作为小目标物，用于测试驾驶员发现隧道内小目标的能力[17]。

文献[19]研究表明，驾驶员对小目标物的视认距离D与入口段亮度折减系数k之间呈明显的正相关性，即随着隧道入口段亮度折减系数k的提高，驾驶员的小目标视认距离D逐渐增大。这是因为k越大，意味着隧道内外的亮度差越小，人眼更容易适应洞内亮度，有利于驾驶员及早发现障碍物。文献[19]在大量实测数据的基础上给出了D与k的关系式，如式(2)：

(2)

其中，k∈[0.007,0.061]。

小目标物的视认距离D与入口段亮度折减系数k关系曲线如图1所示。

图1 小目标视认距离D与入口亮度折减系数k关系

1.3 遮光棚亮度

在隧道入口新建遮光棚，那么遮光棚即为隧道的入口段，棚内亮度即为入口段亮度。棚内亮度高，有利于提高小目标视认距离，从而提前发现路面异常。但是亮度太高又会使得后续过渡段亮度升高，照明能耗增加，因此遮光棚内亮度宜按满足小目标视认距离确定。当小目标视认距离D大于停车视距SD时，驾驶员可在停车视距外发现小目标物，满足安全行车要求，即

D≥SD

(3)

将式(1)、式(2)代入式(3)可得遮光棚内亮度折减系数：

(4)

其中,f为棚外路面的摩擦系数，对于隧道入口段由于停车视距位于洞外，应按最不利条件下(雨天湿滑路面)的摩擦系数取值。

计算出折减系数k后，便可计算出遮光棚内亮度最小值：

Lthmin=k·L20(S)

(5)

以设计速度v=80 km/h、纵坡tanβ=-3%的高速公路为例，按湿滑路面f=0.34取值，可计算得出遮光棚内亮度折减系数k≥0.042 749；当洞外亮度L20(S) =3 000 cd/m2时，遮光棚内亮度最小值Lthmin=128.2 cd/m2。

以洞外亮度L20(S) =3 000 cd/m2的高速公路为例，当湿滑路面f=0.34时，不同坡度、不同速度下的遮光棚内亮度最小值如表1所示。

表1 不同坡度、不同速度下的遮光棚内亮度最小值

注：tanβ>0表示上坡，tanβ<0表示下坡，下同。

由表1可以看出，下坡坡度越大，遮光棚内需要的亮度最小值Lthmin越高，这是因为下坡刹车距离长，需要提高亮度以增强视认距离；而设计速度υ越大的路面，遮光棚内需要的亮度最小值Lthmin也越高，因为速度大意味着刹车距离长。

1.4 遮光棚长度

遮光棚长度Ds应大于设计速度下车辆驶入过渡段时的停车视距要求，即

Ds≥SD

(6)

将式(1)带入式(6)，即

(7)

高速公路隧道纵坡一般在3%～-3%之间，不同路面摩擦系数下，设计速度80 km/h时，高速公路入口遮光棚长度如表2所示。

表2 不同摩擦系数下入口遮光棚长度

由表2可知，遮光棚长度Ds不仅与隧道纵坡有关，还与路面摩擦系数有关。下坡坡度越大，Ds值越大；上坡坡度越大，Ds值越小；同样纵坡下，摩擦系数大的路面Ds值小。若要减小遮光棚长度，则需尽可能地提高路面摩擦系数。在遮光棚内铺设抗滑路面可有效提高车辆与路面之间的摩擦系数，目前国内已有摩擦系数为0.8甚至更高的抗滑路面铺装材料[20-21]，并已在高速公路隧道入口得到了广泛应用[22-24]。

2 与CIE、国内照明规范对比

以长度为1 000 m、纵坡为0%、交通量为1 200 veh/(ln·h)、设计速度为80 km/h、洞外亮度L20(S)为3 000 cd/m2的某隧道为例，采用CIE设计方案，入口段平均亮度为153 cd/m2，长度为96.3 m；按照《细则》设计的入口段平均亮度为78.75 cd/m2，长度为84.2 m；采用具有防雨结构的遮光棚设计，并铺设雨天摩擦系数为0.6的抗滑路面，棚内亮度为121.8 cd/m2，长度为64.2 m。不同纵坡下的入口段方案对比如表3所示。

表3 不同方案下入口段平均亮度、长度对比

注：CIE方案和《细则》方案入口段分为前、后2个半段，前半段亮度为180 cd/m2，后半段亮度由108 cd/m2线性下降到72 cd/m2，平均亮度153 cd/m2；《细则》前半段亮度为105 cd/m2，后半段亮度为52.5 cd/m2，平均亮度78.75 cd/m2。

从表3可以看出，CIE方案、《细则》方案入口段亮度均为固定值，没有考虑隧道纵坡对入口段亮度的影响，CIE方案虽然取值较大可以保证行车安全，但存在入口能耗过高的问题。

遮光棚方案既考虑了满足行车亮度的需求，又尽可能地考虑了减少照明能耗的问题。从确定入口段长度方面分析，CIE和遮光棚方案均采用了1倍停车视距，该长度有利于驾驶员及时发现过渡段异常情况，因而具有较高的安全性；但CIE和遮光棚方案的不同点在于，CIE方案是按雨天湿滑路面摩擦系数计算，由于抗滑路面的摩擦系数较高，因此CIE停车视距比遮光棚的视距大，而《细则》方案入口段长度则是进行了一定程度的折减。

3 经济性分析

3.1 无遮光棚的传统照明设计方案

以长度为600 m、纵坡为0%、交通量为1 200 veh/(ln·h)、设计速度为80 km/h的某隧道为例，传统设计方案及其工程量如表4、表5所示。

表4 传统隧道照明设计方案

注：根据《细则》，隧道出入口段10 m范围内若有阳光直射进入，可不设照明；基本应急照明为隧道全线布设。

表5 传统隧道照明设计方案灯具数量

3.2 有遮光棚的隧道照明设计方案

在隧道入口设置80 m遮光棚完全取代入口段，棚内铺设雨天摩擦系数为0.6的抗滑路面，洞外亮度3 000 cd/m2，隧道设计速度为80 km/h，计算棚内最低亮度要求为121 cd/m2。隧道内布灯方案及其工程量如表6、表7所示。

3.3 经济性分析

对比传统设计方案，通过遮光棚的“过渡”作用，原隧道入口段的亮度直接减为过渡段亮度，因此隧道内仅设过渡加强照明、基本/应急照明和出口加强照明。单洞照明安装功率由32.88 kW降低为11.36 kW，减少21.52 kW，不但节约了照明工程造价，而且为后期运营节约了大量电费。但是遮光棚的修建增加了工程投资，一定程度上抵消了照明节约的成本。现就上述隧道遮光棚的经济性进行简单分析。

表6 有遮光棚的隧道照明设计方案

注：由于隧道入口有遮光棚，隧道入口无阳光直射进入，因此入口段10 m范围内需布灯；基本应急照明为隧道全线布设。

表7 有遮光棚的隧道照明设计方案灯具数量

根据工程造价信息，经计算80 m遮光棚的建设成本为89万元，维护成本约为每年0.5万元，10年总成本为94万元；抗滑路面建设成本比普通路面贵80元/m2，80 m路面成本多出6.4万元；2项合计100.4万元。

采用传统电光照明方案，入口段加强照明灯具及线缆的布设费用如表8所示。

表8 传统方案入口加强段照明工程费用

考虑调光控制，该部分加强照明按年平均等效开启时长1 825 h计算，每年电费约为3.927万元(电费按1元/度计)，灯具每年维护费用约为0.5万元。若以10年寿命周期计算，考虑光衰影响灯具10年内需全部更换一遍，则入口加强段照明总成本为：

43.472+3.927×10+0.5×10+38.88=126.6万元

遮光棚方案10年总成本为100.4万元，传统电光照明方案总成本为126.6万元。由此可见，设置遮光棚方案的经济效益优于传统照明布灯方案。相比灯具更换、清洗等维护工作，遮光棚仅需每年甚至每2～3年进行刷漆等简单维护工作，其工作量更少、维护更简单。

4 结论

本文根据CIE理论推导出了遮光棚设计的亮度和长度计算公式，为遮光棚应用于隧道洞口减光设计提供了理论依据。通过分析可知，遮光棚对隧道入口减光的显著作用主要体现在它将隧道入口段的加强照明“前移”到隧道外面的遮光棚内，而该棚内亮度随着外界环境亮度自动变化，不需要额外的电光照明，从而降低了加强照明能耗，起到了一定的节能作用。由于遮光棚的造价较低，而且维护简单，因而相对传统电光照明方案又具有一定的经济优势，且当隧道设计速度越高时，优势越明显。